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中新网北京12月15日电(记者孙自法)中国科学家联合全球数十家科研机构的合作者研究发现，一个名为MKK3的基因通过“拷贝数+激酶活性”双轮驱动，塑造了大麦在全球不同气候区的休眠节律，其中，青藏高原上，青稞(裸大麦)拥有全球几乎最强的MKK3活性。
这项成功破解大麦种子休眠机制的重要研究成果，为通过基因组设计育种、构建可持续的高性能农业体系带来可能，也为应对未来极端气候变化与人口爆发性增长导致的粮食安全挑战提供了新途径。
中国科学院青藏高原研究所12月15日向媒体发布信息说，MKK3“闹钟”双轮驱动大麦种子休眠的相关研究论文，由该所古生态与人类适应团队联合丹麦嘉士伯研究实验室、法国Secobra研究所、英国剑桥大学、丹麦哥本哈根大学等合作完成，近日在国际学术期刊《科学》发表。
高MKK3激酶活性影响下种子短休眠时间导致的大麦穗上发芽现象(图片来源：嘉士伯研究实验室)。中国科学院青藏高原研究所供图
研究团队介绍说，种子休眠是指种子在适宜发芽的条件下仍“按兵不动”，直到环境真正安全才“启动”发芽，是农作物在驯化过程中被深刻改造的关键性状之一。然而，种子休眠是一把“双刃剑”：休眠时间太短，成熟种子遇连阴雨易在穗上提前发芽，降低产量和品质；休眠时间太长，则会影响复种时机和出苗整齐度。
论文通讯作者、丹麦嘉士伯研究实验室谷物育种与性状开发研究中心主任克里斯托夫·多克特博士指出，大麦种质基因组中控制种子休眠性状基因MKK3双重调控大麦种子休眠时间。当基因拷贝数越多，表达量越大，种子休眠性越弱；当氨基酸变异控制的激酶活性越强，种子休眠性越弱。二者协同作用，可实现对MKK3总体活性的精细调控，进而决定作物种子的休眠特性。
研究团队进一步系统解析全球1000余份大麦种子MKK3的时空演化格局发现，气候和农业需求是人类选择MKK3类型的“指挥棒”：东亚季风区偏爱“低活性模式”MKK3，休眠期长，可避开收获季节湿热气候导致的穗发芽问题；北欧啤酒大麦即便在潮湿亚极地地区，古维京人仍选择并稳定“弱休眠性模式”种子，只为麦芽快速均匀萌发，并赋予啤酒卓越的酿造品质，再通过提前收获、烟熏干燥等农艺技术规避穗发芽风险；在青藏高原，青稞选择了全球“最高活性模式”。经过长期选育，青稞拥有全球几乎最强的MKK3活性，表现出最弱的休眠性和最强的种子萌发活性。
针对青藏高原的极端气候，尤其是高海拔地区大麦收获期(9月-10月)频发的低温胁迫，当地形成独特的适应性农艺实践，即在籽粒未完全成熟时即进行收获，其后通过自然风干与焙炒、研磨等采后处理，使其便于冬季储存与食用。这种极端的种子休眠性状选择，可以确保提前收获的种子在播种后能迅速激活以适应青藏高原严苛环境，确保大部分籽粒萌发。
“这是把基因变异、气候变化和人类饮食文化写进同一本史册。”论文共同第一作者、中国科学院青藏高原研究所王昱程研究员表示，本项研究成果为粮食抗逆育种提供了可操作的分子模块，MKK3的双重调控机制可直接用于分子育种，通过“拷贝数的增减”或“单碱基编辑”即可微调种子休眠期，进而控制种子的休眠与发芽，为当前全球气候变化条件下的农业可持续发展提供支撑。(完)
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